научная статья по теме УЧАСТИЕ КОФЕЙНОЙ КИСЛОТЫ В РЕГУЛЯЦИИ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА КАРТОФЕЛЯ SOLANUM TUBEROSUM L Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «УЧАСТИЕ КОФЕЙНОЙ КИСЛОТЫ В РЕГУЛЯЦИИ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА КАРТОФЕЛЯ SOLANUM TUBEROSUM L»

АГРОХИМИЯ, 2015, № 6, с. 53-58

УДК 581.1:577.175.19:635.21

УЧАСТИЕ КОФЕЙНОЙ КИСЛОТЫ В РЕГУЛЯЦИИ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА КАРТОФЕЛЯ (Solanum tuberosum L.)*

© 2015 г. Т.И. Пузина, И.Ю. Макеева

Орловский государственный университет 302026 Орел, ул. Комсомольская, 95, Россия E-mail: tipuzina@gmail.com

Поступила в редакцию 22.01.2015 г.

Исследовали влияние кофейной кислоты (0.1 мМ) на фотосинтетическую активность, устойчивость, рост и продуктивность растений картофеля, выращенных в почвенной культуре. Показана стимуляция чистой продуктивности фотосинтеза, фотохимической активности хлоропластов при неизменном количестве хлорофилла и увеличении содержания каротиноидов. Обнаружено уменьшение продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) - содержания гидропероксидов жирных кислот и малонового диальдегида за счет усиления работы антиоксидантной системы. Выявлено, что изменения в фотосинтетической деятельности и реакции ПОЛ происходили на фоне повышения содержания ауксинов. Кофейная кислота не оказала действия на высоту побега и число узлов, при этом увеличила массу наземных органов и продуктивность растений. Полученные результаты свидетельствовали о вовлечении кофейной кислоты в регуляцию продукционного процесса картофеля.

Ключевые слова: кофейная кислота, регуляция продукционного процесса, картофель (Solanum tuberosum).

ВВЕДЕНИЕ

Функциональная значимость продуктов вторичного метаболизма в растительном организме до настоящего времени остается малоисследованной [1]. Среди вторичных метаболитов особое внимание привлекают фенольные соединения, широко распространенные в растительном мире, обладающие высокой биологической активностью и активно применяемые в медицине и фармакологии [2]. Однако физиолого-биохимическая роль отдельных групп фенолов исследована в разной мере. В большей степени изучены анти-оксидантные свойства флавоноидов [3]. Показано также, что представитель фенольных кислот - салициловая кислота является важной сигнальной молекулой [4]. Вместе с тем физиологические функции гидроксикоричных кислот, относящихся к фенилпропаноидам, остаются невыясненными. Следует отметить, что на основе смеси гидрок-сикоричных кислот ННПП "НЭСТ М" (Россия) получен препарат циркон, активно исследуемый отечественными физиологами растений. Показа-

* Работа частично поддержана госзаданием Министерства образования и науки РФ, проект № 1373.

но, что он регулирует ростовые реакции и продуктивность растений [5]. Однако для выявления физиологического механизма действия гидрокси-коричных кислот наибольший интерес представляет изучение влияния не смеси этих веществ, а их отдельных представителей. Кофейная кислота в отличие от других гидроксикоричных кислот, которые обычно находятся в связанном состоянии, в основном содержится в свободном виде и поэтому может участвовать в регуляции физиоло-го-биохимических процессов [6]. Цель работы -исследование действия кофейной кислоты на фотосинтетическую активность, устойчивость, рост и продуктивность растений картофеля.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования являлись растения картофеля (Solanum tuberosum L.) сорта Жуковский ранний селекции ВНИИ КХ (Коренёво, Россия). Растения выращивали в почвенной культуре на серой лесной среднесуглинистой почве в условиях типового вегетационного домика площадью 180 м2 на агробиостанции Орловского госуниверситета. В сосуде с 10 кг почвы выращивали одно

растение и поддерживали влажность почвы на уровне 60% ПВ. В период закладки опытов в почву вносили оптимальные количества азота, фосфора и калия - соответственно N230P70K310.

Обработку растений проводили путем опрыскивания 0.1 мМ раствором кофейной кислоты ("Sigma", США) через 15 сут после появления всходов. Контрольные растения опрыскивали водой.

Чистую продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) определяли по методу Ничипоровича [7] в период между фазами бутонизации и цветения. О фотохимической активности изолированных хлороплас-тов (ФХА) судили по скорости фотовосстановления феррицианида калия [8]. Для этого из листьев выделяли хлоропласты путем двукратного центрифугирования (2000, 8000 об./мин) в среде, содержащей 0.35 М NaCl и 0.05 M Трис-НС1-буфер (pH 8.0). После ресуспендирования в 0.05 М NaCl суспензию выделенных хлоропластов с 0.002 М K3[Fe(CN6)] использовали для определения ФХА. Пигменты экстрагировали из листьев 80%-ным ацетоном. Содержание хлорофилла и каротинои-дов рассчитывали согласно [8].

Экстракцию ауксинов из листьев проводили через 7 сут после обработки растений кофейной кислотой методом, описанным в [9]. Содержание ауксинов определяли методом биологической пробы, основанном на измерении прироста биотеста [9]. В качестве биотеста использовали отрезки (зону растяжения) колеоптилей озимой пшеницы сорта Московская 39. Количество фитогормона рассчитывали по калибровочной кривой, построенной для индолилуксусной кислоты (ИУК), и выражали в мкг-экв ИУК/г сухой массы.

О перекисном окислении липидов (ПОЛ) судили по количеству гидроперекисей жирных кислот и

малонового диальдегида (МДА). Содержание гидроперекисей оценивали по реакции с роданистым аммонием [10], МДА - по цветной реакции с тио-барбитуровой кислотой при нагревании [11]. Активность каталазы определяли газометрическим методом по объему выделенного кислорода, перок-сидазы - по скорости окисления бензидина [12]. Содержание свободного пролина в листьях определяли методом L.S. Bates с соавт. [13] с использованием нингидринового реактива. Массу органов растений определяли путем взвешивания на весах (ВСТ 600/10-0, Россия).

Концентрацию сахарозы определяли рефрактометрическим методом на рефрактометре РПЛ-3 (Россия) по учету показателя преломления света клеточным соком [14].

На рисунках представлены средние арифметические из 5-ти биологических повторностей и их стандартные ошибки. Аналитическая повтор-ность пятикратная. Достоверность результатов оценивали с помощью i-критерия Стьюдента, считая достоверными различия при уровне доверительной вероятности >0.95 [15].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Фотосинтез является важнейшей составляющей продукционного процесса растений. Знание его регуляции имеет как теоретический, так и практический интерес. Определение чистой продуктивности фотосинтеза - интегрирующего показателя фотосинтезирующей деятельности в период между фазами бутонизации и цветения - показало, что кофейная кислота стимулировала накопление сухого вещества (рис. 1а). Прирост составил 22% против контроля. Это происходило на фоне

t 2.5

2-

I

1 1.5

■я

О 1

х 1

^ 0.5 Н е

(а)

0.6

0

SS

1 я

и

0.4-

0.2-

(б)

Хлорофилл (а + б)

Каротиноиды

§ 15

ю-

•fr &

8 5-

i

© 0

(в)

□ Контроль

Кофейная кислота

Рис. 1. Действие кофейной кислоты на фотосинтетическую активность:

(а) - чистая продуктивность фотосинтеза, (б) - содержание пигментов, (в) - фотохимическая активность хлоропластов.

УЧАСТИЕ КОФЕЙНОЙ КИСЛОТЫ В РЕГУЛЯЦИИ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА КАРТОФЕЛЯ... 55

неизменного содержания суммы хлорофиллов (а + + б) (рис. 1б). Несмотря на это, кофейная кислота значительно (в 1.4 раза) активизировала реакции световой фазы фотосинтеза, а именно фотохимическую активность хлоропластов, характеризующую скорость потока электронов, сопряженного с нециклическим фотофосфорилированием (рис. 1в). Аналогичная закономерность в фотосинтетической деятельности картофеля отмечена авторами ранее [16] при обработке посадочных клубней препаратом циркон в концентрации 25 мкг/л.

Стимулирование кофейной кислотой ФХА хлоропластов может быть связано с возрастанием содержания каротиноидов в светособирающем комплексе 2-й фотосистемы (рис. 1б). Известно, что каротиноиды обладают антиоксидантными свойствами и тем самым защищают хлорофилл от окисления активными формами кислорода [17].

Согласно имеющимся сведениям, в регуляции первичных реакций фотосинтеза принимают участие фитогормоны [18, 19]. Еще в ранних исследованиях [20, 21] показано, что индолилуксусная кислота ускоряла перенос электронов к НАДФ в изолированных хлоропластах бобовых и редиса. Аналогичные данные были получены авторами на растениях картофеля в предыдущей работе [22]. Для выяснения участия ауксинов в фотохимической активности хлоропластов на действие кофейной кислоты определяли содержание индолил-уксусной кислоты. Данные свидетельствовали (рис. 2), что обработка растений кофейной кислотой на 36% повысила уровень данной группы фи-тогормонов в листьях. Такое действие кофейной кислоты может быть связано с тем, что фенолы инактивируют ИУК-оксидазу [23] и, как следствие, повышают содержание ауксинов.

Продуктивность растений зависит не только от хода и направленности процесса фотосинтеза, но и от устойчивости растений к действию факторов внешней среды. Чаще всего об устойчивости судят по реакции перекисного окисления липидов и работе антиоксидантной системы [24]. В данной работе определяли содержание гидроперекисей жирных кислот - первичных продуктов ПОЛ и конечного продукта - малонового диальдегида. Показано (рис. 3), что в растениях, обработанных кофейной кислотой, перекисное окисление липи-дов было снижено как в начале, так и в конце этого процесса. Содержание гидроперекисей и МДА уменьшилось против контроля в равной степени (на 20%). Сдерживание этого процесса могло быть связано с увеличением уровня ауксинов в листьях растений, обогащенных кофейной кислотой. В работе [25] показано, что экзогенная индо-

40

□ Контроль ■ Кофейная кислота

Рис. 2. Влияние кофейной кислоты на содержание ауксинов в листьях.

(а)

(б)

0.2-,

0.15-

о

00

М §

г «

а о

В %

| ° 0.05 §

0.1 -

а 4 -|

Ж

□ Контроль

а

3-

2-

0

Кофейная кислота

Рис. 3. Перекисное окисление липидов при обработке растений кофейной кислотой: (а) - гидроперекиси жирных кислот, (б) - малоновый диальдегид.

лилуксусная кислота снижала содержание МДА в побегах возобновления картофеля в оптимальных условиях и при гипотермии.

Реакция ПОЛ во многом определяется работой антиоксидантной системы растения, которая представлена как ферментами, так и низкомолекулярными веществами. Данные свидетельствовали о повышении активности каталазы

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком